CN102618794A - 一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺 - Google Patents

一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺 Download PDF

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闫晓峰
韩志伟
潘兴民
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Abstract

本发明公开了一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺，耐磨材料含有高碳或低碳微合金化的材料，金相以石墨球、奥氏体、针状铁素体、少量马氏体、晶内大量碳化物、晶界少量碳化物的材料，可强化基体组织，通过合理的运用钒钛，尤其是钛，使碳化物大量分布在晶内，强化基体组织，可充分发挥材料的各项组织特性，延长材料的使用寿，其生产工艺包括配料、熔炼、调成分、球化、浇铸、热处理，最后进行时效处理、抛光，得到以球状石墨+奥氏体+针状铁素体+少量马氏体+碳化物的组织，电镜照片上可以看到Ti分布在基体中，且含量最多的地方均含有Ti和V两个元素，说明Ti和V可能是共生，Cr在铸件中分布均匀，本发明生产工艺简单，成本低，市场前景好。

Description

一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺
技术领域：
本发明涉及一种铬钒钛金属材料及生产工艺，适用于制作球磨机的磨球、耐磨辊道、锤头(复合铸造)等。
背景技术：
目前大量应用的金属耐磨材料有以下几种：(1)奥氏体耐磨锰钢奥氏体锰钢。迄今在大冲击载荷磨料磨损工况(如圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、旋回式破碎机衬板、大中型颗式破碎机颗板、大型锤式破碎机锤头，以及大中型湿式矿山球磨机衬板)下仍主要选用奥氏体锰钢，但在生产实践中发现，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且其屈服强度低，易于变形。(2)铬系白口铸铁。国外耐磨白口铸铁的发展分为普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铬白铸铁3个阶段，铬系白口铸铁目前仍是国内外耐磨铸铁的主流。铬系白口铸铁的研究中，往往被认为越硬越耐磨。实际上，盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果，反而会使成本大幅度提高，造成浪费。有试验表明，高铬铸铁在接近90。角冲蚀磨损时，其耐磨性还不如20钢。(3)奥贝球铁系列耐磨铸铁贝氏体一马氏体耐磨球铁是通过等温淬火热处理或加入合金元素，使基体转变为贝氏体一铁素体基体上分布着残余奥氏体的组织，具有强度高、塑性好，以及弯曲疲劳和接触疲劳等动载性能高的优点，在国内外已被用于齿轮、凸轮轴、汽车牵引钩等易磨损件。我国对奥贝球铁的应用还限于中低档产品，还没有达到产业化生产的水平，主要是在铁路货车斜楔铁、曲轴等结构件，以及磨球、锤头等抗磨件生产上应用，并在制作贝氏体球墨铸铁管、衬板、齿轮和轧辊等方面进行了一定的研究和应用。(4)钢铁耐磨复合材料钢铁基耐磨复合材料是以钢为粘结金属，以难熔金属碳化物作硬质相的结合材料，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。其组织特点是微细硬质晶粒均匀分散于钢基体中，兼有硬质化合物的硬度、耐磨性，以及钢的强度和韧性，处于普通硬质合金和钢的中间地位。但粘结剂最常使用的添加元素有镍、铬等稀缺金属，且需要粉末冶金方法、浸渍法、热压法、热等静压法、喷射成形法、混合搅拌铸造法及等离子熔融粉末法等加工方法制备。此外，上述耐磨材料的生产工艺复杂，成本高。目前国内矿山企业使用的磨球主要是低铬球，其机体组织为铁素体加渗碳体的片层结构，它的耐磨性远远低于碳化物，所以在使用过程中剥落也就在所难免，同时冲击值也不好。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺，其产品含有高碳或低碳微合金化的材料，金相以石墨球、奥氏体、针状铁素体、少量马氏体、晶内大量碳化物、晶界少量碳化物的材料，可强化基体组织，所要解决的技术问题是合理的运用钒钛，尤其是钛，使碳化物大量分布在晶内，强化基体组织，可充分发挥材料的各项组织特性，延长材料的使用寿命，本发明所采取的技术方案如下：
一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于由以下最终成分按重量配比组成：C 1.0～3.6％、Si 2.9～6.8％、Mn 2.8～6.6％、P＜0.1％、S＜0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％，当C＜3％时，采用水平连铸铸铁型材工艺加工成连铸棒，经轧制或锻造成为热处理环节的原料。
上述一种铬钒钛金属耐磨材料的生产工艺，包括配料、熔炼、调成分、球化、浇铸、热处理和时效处理、抛光：
(1)按重量配比配料：选用硫小于0.04％的含钒钛生铁45％、回炉料32～37％、废钢5％、0.5～3.5％FeV50钒铁、0.15％铬铁、2～5％硅铁、3～5％硅锰合金；
(2)熔炼：熔炼温度为1460～1500℃，待原料在电炉中全部融化后，从炉中取样拿到化验室去化验。
(3)调成分：根据检测结果，通过补充硅锰合金、硅铁合金、铬铁合金、钛铁合金对铁水的成分进行调整，根据产品壁厚的不同，调整后的铁水经球化剂球化，球化剂加入量为铁水重量的1.2～1.5％，孕育剂孕育处理，一次孕育的孕育剂在球化包内按铁水重量0.2～0.3％孕育，二次随流孕育的孕育剂加入量为铁水重量0.1～0.2％，处理后的最终铁水成分如下：
①产品壁厚≤60mm：
C 1.0～3.6％、Si 2.9～4.1％、Mn 2.8～4.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.2～2.5％；Si＝1.04×Mn；
Cr+V+Ti为1.2～1.4％时 Mn 2.8～2.9％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.008％；
②60mm＜产品壁厚≤80mm：
C 1.0～3.6％、Si 3.5～4.7％、Mn 3.4～4.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.0～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为1.0～1.1％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.007％；
③80mm＜产品壁厚≤100mm：
C、1.0～3.6％、Si 3.5～5.2％、Mn 3.4～5.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.9～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为0.9～0.95％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
④100mm＜产品壁厚≤120mm：
C1.0～3.6％、Si 3.95～5.72％、Mn3.8～5.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.8～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为0.8～0.9％时，Mn 3.95～4.00％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
⑤120mm＜产品壁厚≤140mm：
C 1.0～3.6％、Si 4.7～6.8％、Mn 4.5～6.6％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为0.6～0.65％时，Mn 4.7～4.75％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
(4)球化：调整完铁水成分后，将铁水加温至1550～1600℃出炉球化，球化剂选择Mg8RE3的牌号，孕育两次，一次在球化包内孕育，二次进行倒包孕育，球化后Ce的含量≥0.01，孕育剂选择FeSi75，最终铁水中稀土总量不超过上限，即0.03％；
(5)浇铸：按产品要求浇铸成型，浇铸温度为1420～1460℃；
(6)热处理：将浇铸成型的工件加热到奥氏体化温度，即880℃～930℃，在此温度范围内取定保温温度，其变化幅度为±5℃，保温时间为：壁厚以毫米计，每毫米1.5分钟，然后将加热后的铸件随即放入盐浴槽中，盐浴为硝盐，硝盐为55％亚硝酸钾和45％硝酸钠，盐浴温度为200℃～280℃，处理时间为2.5～3小时，然后进行清洗并冷却至室温；
(7)最后进行时效处理、抛光。
与现有技术相比，本发明含有高碳或低碳微合金化的材料，具有更高的硬度，更低的表面与心部的硬度差，更高的耐磨性能。金相以石墨球、奥氏体、针状铁素体、少量马氏体、晶内大量碳化物、晶界少量碳化物的材料，可强化基体组织，由于合理的运用了钒钛，尤其是钛，使碳化物大量分布在晶内，强化基体组织，得到的组织为：球状石墨+奥氏体+针状铁素体+少量马氏体+碳化物(球状为主，大量分布晶内)，可充分发挥材料的各项组织特性，延长材料的使用寿命。
具体实施方式：
一种铬钒钛金属耐磨材料，由以下最终成分按重量配比组成：
C 1.0～3.6％、Si 2.9～6.8％、Mn 2.8～6.6％、P＜0.1％、S＜0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％，当C＜3％时，采用水平连铸铸铁型材工艺加工成连铸棒，经轧制或锻造成为热处理环节的原料。
①产品壁厚≤60mm的最终成分如下：
C 1.0～3.6％、Si 2.9～4.1％、Mn 2.8～4.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.2～2.5％；Si＝1.04×Mn；
Cr+V+Ti为1.2～1.4％时Mn 2.8～2.9％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.008％；
②60mm＜产品壁厚≤80mm的最终成分如下：
C 1.0～3.6％、Si 3.5～4.7％、Mn 3.4～4.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.0～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为1.0～1.1％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.007％；
③80mm＜产品壁厚≤100mm的最终成分如下：
C、1.0～3.6％、Si 3.5～5.2％、Mn 3.4～5.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.9～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为0.9～0.95％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
④100mm＜产品壁厚≤120m的最终成分如下m：
C1.0～3.6％、Si 3.95～5.72％、Mn3.8～5.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.8～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为0.8～0.9％时，Mn 3.95～4.00％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
⑤120mm＜产品壁厚≤140mm的最终成分如下：
C 1.0～3.6％、Si 4.7～6.8％、Mn 4.5～6.6％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％；Si＝1.04×Mn，
Cr+V+Ti为0.6～0.65％时，Mn 4.7～4.75％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％；
一种铬钒钛金属耐磨材料的生产工艺，包括配料、熔炼、调成分、球化、浇铸、热处理和时效处理、抛光，下面以生产60mm＜壁厚≤80mm的材料目标成分C 3.4～3.6％、Si 3.54～3.74％、Mn 3.4～3.6％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、那么经计算应该为Cr 0.1～0.15％、V 0.707～0.907％、Ti 0.10～0.15％、Cr+V+Ti为1.007～1.107％控制残残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％为例对生产工艺进行说明：
(1)以500Kg料为例，按重量配比配料：选用硫小于0.04％的含钒钛生铁45％、回炉料32～37％、废钢5％、0.5～3.5％FeY50钒铁、0.15％铬铁、2～5％硅铁、3～5％硅锰合金；
(2)熔炼：熔炼温度为1460～1500℃，待原料在电炉中全部融化后，从炉中取样拿到化验室去化验，选用直读光谱检测成分，该成分为铁水初成分：C3.45％、Si 1.5％、Mn 1.5％、P 0.06％、S 0.03％、Cr 0.1％、V 0.5％、Ti 0.10％。
(3)调成分：
计算合金加入量后配加合金
(一)计算：锰的目标值Mn 3.4～3.6％，取Mn3.6％，需再加入3.4％硅锰合金Mn65 Si17(烧损率5％)，加入Mn65 Si17硅锰合金计算公式：(3.6％-1.5％)÷0.65÷(1-烧损率5％)＝3.40％，同时会增硅＝3.40％×0.17×(1-烧损率5％)＝0.549％，根据铁水S 0.03％那么球化剂Mg8RE3加入量为铁水重量的1.2％，Mg8RE3含硅量45％，那么增硅＝1.2×45％×(1-烧损率5％)＝0.51％，一次孕育孕育剂FeSi75用量为铁水重量0.3％，两次孕育孕育剂FeSi75用量为铁水重量0.1％，那么两次孕育增硅＝(0.3％+0.1％)×75％×(1-烧损率5％)＝0.285，总增硅量＝0.549％+0.51％+0.285％＝1.344％，初熔铁水含初熔铁水硅Si 1.5％，为达到标准成分Si 3.54～3.74％，取硅中间值3.65％，需按照铁水重量加入硅铁FeSi75的量＝(3.65％-1.344％-1.5％)÷75％÷(1-烧损率5％)＝1.13％。形成碳化物合金只调整钒，初熔铁水Cr+V+Ti＝0.7目标成分Cr+V+Ti为1.007～1.107％，取钒中间值1.05，那么按照铁水重量加入钒铁FeV50的量＝(1.05-0.7)÷50％÷(1-烧损率10％)＝0.78％。
(二)添加合金：
向炉内按照铁水重量比添加合金，3.4％硅锰合金Mn65 Si17，1.13硅铁FeSi75，0.78钒铁FeY50。
(4)球化：调整完铁水成分后，将铁水加温至1550～1600℃出炉球化，准备好球化包，先将铁水重量1.2％球化剂Mg8RE3放入球化室并捣实，再将铁水重量0.3％一次孕育剂FeSi75加入并捣实，最后将铁屑盖在上面并捣实，达到充分覆盖的目的，球化完毕后将球化包内的铁水倒入铁水包进行二次孕育；用量为铁水重量0.1％，要求孕育剂随铁水溜均匀撒入，球化剂选择Mg8RE3的牌号，球化后Ce的含量≥0.01，孕育剂选择FeSi75，最终铁水中稀土总量不超过上限，即0.03％；至此，冶炼过程结束，这时铁水包里的铁水即为终成分：C 3.45％、Si 3.6％、Mn 3.55％、P 0.06％、S 0.015％、Cr 0.1％、V 0.85％、Ti 0.10％、Cr+V+Ti＝1.05 1.007～1.107％残Ce 0.015％、残Mg 0.04％经与目标成分比较：判定合格。
(5)浇铸：按产品要求浇铸成型，浇铸温度为1420～1460°，直接铸成球。
(6)热处理：将浇铸成型的工件加热到奥氏体化温度，即880℃～930℃，在此温度范围内取定保温温度，其变化幅度为±5℃，保温时间为：80mm*1.5分钟/mm为120分钟，然后将加热后的铸件随即放入盐浴槽中，盐浴为硝盐，硝盐为55％亚硝酸钾和45％硝酸钠，盐浴温度为230℃，处理时间为2.5～3小时，然后进行清洗并冷却至室温；
(7)最后进行时效处理、抛光。

Claims (6)

1.一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于由以下最终成分按重量配比组成：
C 1.0～3.6％、Si 2.9～6.8％、Mn 2.8～6.6％、P＜0.1％、S＜0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％，当C＜3％时，采用水平连铸铸铁型材工艺加工成连铸棒，经轧制或锻造成为热处理环节的原料。
2.根据权利要求1所述的一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于产品壁厚≤60mm时由以下最终成分按重量配比组成：
C 1.0～3.6％、Si 2.9～4.1％、Mn 2.8～4.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.3％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.2～2.5％；Si＝1.04×Mn；Cr+V+Ti为1.2～1.4％时，Mn 2.8～2.9％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.008％。
3.根据权利要求1所述的一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于产品壁厚大于60mm小于80mm时由以下最终成分按重量配比组成：
C 1.0～3.6％、Si 3.5～4.7％、Mn 3.4～4.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％、Cr0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为1.0～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为1.0～1.1％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.007％。
4.根据权利要求1所述的一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于产品壁厚大于80mm小于100mm时由以下最终成分按重量配比组成：
C、1.0～3.6％、Si 3.5～5.2％、Mn 3.4～5.0％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce 0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.9～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为0.9～0.95％时，Mn 3.4～3.5％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％。
5.根据权利要求1所述的一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于产品壁厚大于100mm小于120mm时由以下最终成分按重量配比组成：
C1.0～3.6％、Si 3.95～5.72％、Mn3.8～5.5％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.8～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为0.8～0.9％时，Mn 3.95～4.00％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％。
6.根据权利要求1所述的一种铬钒钛金属耐磨材料，其特征在于产品壁厚大于120mm小于140mm时由以下最终成分按重量配比组成：
C 1.0～3.6％、Si 4.7～6.8％、Mn 4.5～6.6％、P＜0.07％、S＜0.01～0.02％Cr 0.1～0.3％、V 0.01～2.0％、Ti 0.10～0.2％，其余为铁，残Ce0.01～0.03％、残Mg 0.03～0.05％，其中Cr+V+Ti为0.6～2.5％；Si＝1.04×Mn，Cr+V+Ti为0.6～0.65％时，Mn 4.7～4.75％，在此基础上，Cr+V+Ti每增加0.01％，Mn增加0.01％。
CN2012100909335A 2012-03-24 2012-03-24 一种铬钒钛金属耐磨材料及生产工艺 Pending CN102618794A (zh)

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